ES2950657T3 - Flow measurement - Google Patents
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Abstract
Una disposición 5 de transductores acústicos (7a, 7b, 7c, 7d, 9a, 9b, 9c, 9d, 11a, 11b, 11c, 11d, 13a, 13b, 13c, 13d) para un caudalímetro. El medidor de flujo sirve para medir la velocidad a la que fluye el fluido. La disposición incluye un conjunto de transductores respectivo (7, 9, 11, 13) para cada borde de un polígono regular teórico NRP. Los conjuntos de transductores están asociados con una cavidad tubular para transportar el fluido. Cada uno de los conjuntos de transductores incluye respectivamente dos transductores acústicos orientados para definir una trayectoria acústica que se encuentra en un plano de medición MP7 del conjunto respectivo, y otros dos transductores acústicos orientados para definir otra trayectoria acústica que se encuentra en el plano de medición del conjunto respectivo. Los conjuntos de transductores se colocan de manera que, en la sección transversal normal a la cavidad tubular, el plano de medición de cada conjunto de transductores respectivo coincida con un borde respectivo del polígono regular teórico. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)An arrangement 5 of acoustic transducers (7a, 7b, 7c, 7d, 9a, 9b, 9c, 9d, 11a, 11b, 11c, 11d, 13a, 13b, 13c, 13d) for a flow meter. The flow meter is used to measure the speed at which the fluid flows. The arrangement includes a respective set of transducers (7, 9, 11, 13) for each edge of a theoretical regular polygon NRP. The transducer assemblies are associated with a tubular cavity to transport the fluid. Each of the transducer arrays respectively includes two acoustic transducers oriented to define an acoustic path that lies in a measurement plane MP7 of the respective array, and two other acoustic transducers oriented to define another acoustic path that lies in the measurement plane of the respective set. The transducer arrays are positioned such that, in the cross section normal to the tubular cavity, the measurement plane of each respective transducer array coincides with a respective edge of the theoretical regular polygon. (Automatic translation with Google Translate, without legal value)
Description
DESCRIPCIÓNDESCRIPTION
Medición de flujoFlow measurement
La presente solicitud reivindica la prioridad de la solicitud de patente provisional australiana 2017900133 presentada el 17 de enero de 2017.The present application claims priority to Australian provisional patent application 2017900133 filed on January 17, 2017.
CAMPO DE LA INVENCIÓNFIELD OF THE INVENTION
La invención se refiere a la medición de caudal.The invention relates to flow measurement.
La invención se describirá en relación con la medición de la velocidad a la que fluye el agua de riego, aunque se pueden aplicar variantes de la invención en otros contextos, por ejemplo, aplicada a la medición de la velocidad a la que fluye un gas.The invention will be described in relation to the measurement of the rate at which irrigation water flows, although variants of the invention may be applied in other contexts, for example, applied to the measurement of the rate at which a gas flows.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓNBACKGROUND OF THE INVENTION
Un método convencional para medir la velocidad a la que fluye el agua a través de una tubería implica la instalación de un par de transductores acústicos uno frente al otro para definir una trayectoria acústica. La trayectoria atraviesa el interior tubular de la tubería en un ángulo de 45° con respecto al eje central de la tubería y biseca ese eje. Cada uno de los transductores envía señales a lo largo y recibe señales de la trayectoria acústica. A partir de la salida de estos transductores se puede determinar el tiempo de tránsito de estas señales en cada dirección a lo largo de la trayectoria acústica. Una diferencia entre estos tiempos de tránsito se relaciona con la velocidad axial promedio del fluido dentro de la tubería.A conventional method for measuring the speed at which water flows through a pipe involves installing a pair of acoustic transducers facing each other to define an acoustic path. The path passes through the tubular interior of the pipe at an angle of 45° with respect to the central axis of the pipe and bisects that axis. Each of the transducers sends signals along and receives signals from the acoustic path. From the output of these transducers, the transit time of these signals in each direction along the acoustic path can be determined. One difference between these transit times is related to the average axial velocity of the fluid within the pipe.
El cálculo de la velocidad se basa en la suposición de que el flujo es paralelo al eje central de la tubería y que existe un perfil de flujo laminar. La lógica relevante se deriva utilizando el análisis físico.The velocity calculation is based on the assumption that the flow is parallel to the central axis of the pipe and that a laminar flow profile exists. The relevant logic is derived using physical analysis.
En la práctica, estos supuestos no se cumplen. La turbulencia da como resultado patrones de flujo que tienen componentes de velocidad que no son paralelos al eje central y un perfil de flujo que no es completamente laminar. Como tal, la turbulencia dentro de la tubería reduce la precisión de la medición.In practice, these assumptions are not met. Turbulence results in flow patterns that have velocity components that are not parallel to the central axis and a flow profile that is not completely laminar. As such, turbulence within the pipe reduces measurement accuracy.
Para mejorar la precisión, es convencional incluir un segundo par de transductores acústicos dispuestos para definir una segunda trayectoria acústica que intercepta, a 90°, la trayectoria acústica mencionada en primer lugar en la línea central de la tubería. El plano común ocupado por las dos trayectorias acústicas coincide con la línea central de la tubería y se denomina plano de medición. Por supuesto, solo se requiere un grado práctico de precisión, en lugar de una precisión geométrica absoluta, y así es como se usa "plano de medición" y terminología similar en esta técnica y en esta memoria descriptiva de patente. A modo de ejemplo, en el contexto de una tubería de 0500 mm, dos trayectorias acústicas que se cruzan con una diferencia de un milímetro están dentro de un plano común como se usa en el presente documento.To improve accuracy, it is conventional to include a second pair of acoustic transducers arranged to define a second acoustic path that intercepts, at 90°, the first-mentioned acoustic path at the centerline of the pipe. The common plane occupied by the two acoustic paths coincides with the center line of the pipe and is called the measurement plane. Of course, only a practical degree of precision is required, rather than absolute geometric precision, and that is how "measuring plane" and similar terminology is used in this art and in this patent specification. As an example, in the context of a 0500 mm pipe, two acoustic paths that intersect with a difference of one millimeter are within a common plane as used herein.
Si bien la adición de una segunda trayectoria acústica es una mejora, la turbulencia sigue siendo una fuente de inexactitud. En consecuencia, sigue siendo deseable minimizar la turbulencia que llega al medidor de flujo. Con este fin, es una práctica común proporcionar:While the addition of a second acoustic path is an improvement, turbulence remains a source of inaccuracy. Consequently, it remains desirable to minimize turbulence reaching the flow meter. To this end, it is common practice to provide:
• en el lado aguas arriba del medidor de flujo, un tramo recto de tubería de al menos diez diámetros de tubería de largo; y• on the upstream side of the flow meter, a straight length of pipe at least ten pipe diameters long; and
• en el lado aguas abajo del medidor de flujo, un tramo recto de tubería de al menos cuatro diámetros de tubería de largo.• on the downstream side of the flow meter, a straight length of pipe at least four pipe diameters long.
En muchas aplicaciones, la instalación de un tramo recto de tubería de este tipo es un inconveniente costoso y/o es deseable una mayor precisión. Un ejemplo de una disposición de transductores acústicos del estado de la técnica se encuentra en la solicitud de patente internacional publicada como WO 2010/002432 A1.In many applications, installing such a straight length of pipe is a costly inconvenience and/or greater precision is desirable. An example of a state-of-the-art acoustic transducer arrangement is found in the international patent application published as WO 2010/002432 A1.
El solicitante inicial ha desarrollado previamente mejoras sobre estos enfoques convencionales, como las mejoras divulgadas en las solicitudes de patentes internacionales publicadas como WO 2011/020143 A1 y WO 2016/004471A1.The initial applicant has previously developed improvements over these conventional approaches, such as improvements disclosed in international patent applications published as WO 2011/020143 A1 and WO 2016/004471A1.
El documento WO 2011/020143 A1 divulga una disposición de transductores acústicos que definen planos de medición separados, paralelos entre sí, en el sentido de la corriente. También divulga una disposición de transductores que definen un trío de planos de medición de corriente, cada uno de los cuales se cruza con la línea central de la tubería en un ángulo diferente, de modo que la sección transversal circular de la tubería se divide en seis sectores.Document WO 2011/020143 A1 discloses an arrangement of acoustic transducers that define separate measurement planes, parallel to each other, in the direction of the current. It also discloses an arrangement of transducers that define a trio of current measurement planes, each of which intersects the centerline of the pipe at a different angle, so that the circular cross section of the pipe is divided into six sectors.
El documento WO 2016/004471 A1 divulga una cavidad tubular que también está dividida por planos de medición en sectores. Una válvula de compuerta se encuentra aguas abajo y adyacente a la disposición de los transductores. La identificación del sistema se emplea para relacionar el caudal, la posición de la válvula de compuerta y las salidas de los transductores. WO 2016/004471 A1 discloses a tubular cavity which is also divided by measurement planes into sectors. A gate valve is located downstream and adjacent to the transducer arrangement. System identification is used to relate flow rate, gate valve position, and transducer outputs.
La expresión "identificación del sistema" se refiere a la técnica conocida de derivar un modelo de sistema a partir de datos experimentales. Consiste en sugerir una representación matemática adecuada para el modelo del sistema de interés, seguida de un proceso de ajuste en el que se optimiza la representación particular para reproducir lo más fielmente posible las observaciones experimentales cronometradas del sistema. La metodología proporciona un medio para comparar diferentes modelos y clasificarlos según su capacidad para reproducir el comportamiento del sistema. La identificación del sistema es un subtema particular en la teoría de sistemas matemáticos y también en estadística. A pesar de las mejoras previas del solicitante inicial, los presentes inventores han reconocido que aún son posibles mejoras adicionales. Las formas preferidas de la presente invención pretenden proporcionar una precisión mejorada y/o una construcción más sencilla y conveniente.The term "system identification" refers to the well-known technique of deriving a system model from experimental data. It consists of suggesting an appropriate mathematical representation for the model of the system of interest, followed by a fitting process in which the particular representation is optimized to reproduce as closely as possible the timed experimental observations of the system. The methodology provides a means to compare different models and classify them according to their ability to reproduce system behavior. System identification is a particular subtopic in mathematical systems theory and also in statistics. Despite the initial applicant's prior improvements, the present inventors have recognized that additional improvements are still possible. Preferred forms of the present invention are intended to provide improved precision and/or simpler and more convenient construction.
Una referencia en el presente documento a un documento de patente u otra materia que se da como estado de la técnica no debe tomarse como una admisión o una sugerencia de que el documento o materia era conocido, o que la información que contiene era parte del conocimiento general común en ese momento. la fecha de prioridad de cualquiera de las reivindicaciones.A reference herein to a patent document or other subject matter given as prior art should not be taken as an admission or suggestion that the document or subject matter was known, or that the information it contains was part of the prior art. common general at that time. the priority date of any of the claims.
SUMARIO DE LA INVENCIÓNSUMMARY OF THE INVENTION
Un aspecto de la invención proporciona una disposición de transductores acústicos para un medidor de flujo según la reivindicación 1. Se describen realizaciones preferenciales de acuerdo con las reivindicaciones 2-19.One aspect of the invention provides an arrangement of acoustic transducers for a flow meter according to claim 1. Preferred embodiments are described according to claims 2-19.
Un polígono regular es una forma plana que consiste en una cadena de segmentos de línea recta (denominados "aristas" o "lados") que es equiangular (todos los ángulos tienen la misma medida) y equilátera (todos los lados tienen la misma longitud). Los polígonos regulares pueden ser convexos o en estrella. Triángulos, cuadrados, pentágonos y hexágonos, etc., son ejemplos de polígonos regulares convexos. Los pentagramas y los hexagramas son ejemplos de polígonos regulares en estrella.A regular polygon is a plane shape consisting of a chain of straight line segments (called "edges" or "sides") that is equiangular (all angles have the same measure) and equilateral (all sides have the same length). . Regular polygons can be convex or star-shaped. Triangles, squares, pentagons and hexagons, etc., are examples of regular convex polygons. Pentagrams and hexagrams are examples of regular star polygons.
Preferiblemente, la trayectoria acústica de cada conjunto respectivo cruza sustancialmente la otra trayectoria acústica del conjunto respectivo. Lo más preferiblemente, la trayectoria acústica de cada conjunto respectivo es sustancialmente perpendicular a la otra trayectoria acústica del conjunto respectivo. El polígono regular teórico puede ser sustancialmente concéntrico a la cavidad tubular y preferiblemente es convexo. Lo más preferiblemente, el polígono regular nocional es un cuadrado.Preferably, the acoustic path of each respective array substantially crosses the other acoustic path of the respective array. Most preferably, the acoustic path of each respective array is substantially perpendicular to the other acoustic path of the respective array. The theoretical regular polygon may be substantially concentric to the tubular cavity and is preferably convex. Most preferably, the notional regular polygon is a square.
Los planos de medición son preferiblemente sustancialmente paralelos a la cavidad tubular.The measurement planes are preferably substantially parallel to the tubular cavity.
La disposición puede incluir otros cuatro transductores acústicos orientados para definir dos trayectorias acústicas situadas en un plano coincidente con una línea central de la cavidad tubular.The arrangement may include four further acoustic transducers oriented to define two acoustic paths located in a plane coincident with a center line of the tubular cavity.
Preferiblemente, cada transductor acústico aguas arriba, de los conjuntos y de los cuatro transductores acústicos adicionales, se encuentra en un plano aguas arriba transversal a la cavidad tubular; y cada transductor acústico aguas abajo, de los conjuntos y de los cuatro transductores acústicos adicionales, se encuentra en un plano aguas abajo transversal a la cavidad tubular.Preferably, each upstream acoustic transducer, of the assemblies and of the four additional acoustic transducers, is located in an upstream plane transverse to the tubular cavity; and each downstream acoustic transducer, of the assemblies and of the four additional acoustic transducers, is located in a downstream plane transverse to the tubular cavity.
Este aspecto de la invención también proporciona una disposición de hardware que incluye la disposición de transductores acústicos y un sensor para detectar el nivel del fluido en la cavidad tubular.This aspect of the invention also provides a hardware arrangement that includes the arrangement of acoustic transducers and a sensor for detecting the level of the fluid in the tubular cavity.
Este aspecto de la invención también proporciona un conjunto para un medidor de flujo que incluye la disposición; y un cuerpo que define la cavidad tubular y que lleva los transductores acústicos.This aspect of the invention also provides an assembly for a flow meter including the arrangement; and a body that defines the tubular cavity and that carries the acoustic transducers.
Preferiblemente, el cuerpo define una porción de cara de montaje respectiva para cada uno de los transductores acústicos de los conjuntos; siendo cada una de las porciones de la cara de montaje sustancialmente normales a una porción de borde respectivamente correspondiente del polígono regular teórico.Preferably, the body defines a respective mounting face portion for each of the acoustic transducers of the assemblies; each of the mounting face portions being substantially normal to a respectively corresponding edge portion of the theoretical regular polygon.
Este aspecto de la invención también proporciona un medidor de flujo que incluye la disposición; y una disposición lógica para aplicar la lógica a las salidas de los transductores para producir una indicación de la velocidad a la que fluye el fluido.This aspect of the invention also provides a flow meter including the arrangement; and a logical arrangement for applying the logic to the outputs of the transducers to produce an indication of the rate at which the fluid is flowing.
Preferiblemente, la lógica está determinada, al menos en parte, por la identificación del sistema.Preferably, the logic is determined, at least in part, by the system identification.
Breve descripción de los dibujosBrief description of the drawings
Una realización del aparato se describirá ahora, a modo de ejemplo solamente, con referencia a los siguientes dibujos, en los que:One embodiment of the apparatus will now be described, by way of example only, with reference to the following drawings, in which:
La figura 1 es una vista en sección transversal axial de un conjunto para un medidor de flujo;Figure 1 is an axial cross-sectional view of an assembly for a flow meter;
La figura 2 es una vista de extremo del conjunto;Figure 2 is an end view of the assembly;
La figura 3 es una vista en perspectiva del conjunto; Figure 3 is a perspective view of the assembly;
La figura 4 es una vista en perspectiva más aguda de la figura 3;Figure 4 is a sharper perspective view of Figure 3;
La figura 5 es una vista en perspectiva de otro conjunto para un medidor de flujo;Figure 5 is a perspective view of another assembly for a flow meter;
La figura 6 es una vista en sección transversal axial de una unidad transductora instalada para el conjunto de la figura 5;Figure 6 is an axial cross-sectional view of a transducer unit installed for the assembly of Figure 5;
La figura 7 es una vista en perspectiva de otro conjunto para un medidor de flujo;Figure 7 is a perspective view of another assembly for a flow meter;
La figura 8 es una vista en sección transversal axial de otro conjunto para un medidor de flujo;Figure 8 is an axial cross-sectional view of another assembly for a flow meter;
La figura 9 es una vista de extremo del conjunto;Figure 9 is an end view of the assembly;
La figura 10 es una vista en perspectiva del conjunto de la figura 9;Figure 10 is a perspective view of the assembly of Figure 9;
La figura 11 es una vista en perspectiva del conjunto que se muestra en la figura 1 con una válvula plegable unida al mismo;Figure 11 is a perspective view of the assembly shown in Figure 1 with a folding valve attached thereto;
La figura 12 es una vista en sección transversal axial vertical de otro conjunto para un medidor de flujo;Figure 12 is a vertical axial cross-sectional view of another assembly for a flow meter;
La figura 13 es una vista en sección transversal axial horizontal del conjunto; yFigure 13 is a horizontal axial cross-sectional view of the assembly; and
La figura 14 es una vista en perspectiva del conjunto que se muestra en la figura 1 con una válvula de guillotina acoplada.Figure 14 is a perspective view of the assembly shown in Figure 1 with a knife gate valve attached.
DESCRIPCIÓN DETALLADADETAILED DESCRIPTION
Las figuras 1 a 4 ilustran un conjunto 1, para un medidor de flujo, que incorpora un cuerpo tubular 3 y una disposición 5 de transductores acústicos.Figures 1 to 4 illustrate an assembly 1, for a flow meter, incorporating a tubular body 3 and an arrangement 5 of acoustic transducers.
El cuerpo 3 define una cavidad tubular a través de la cual fluye el agua. En este caso, la cavidad tubular tiene un diámetro de OD. El cuerpo 3 puede tener características de montaje (como bridas de montaje) dentro de un diámetro D aguas arriba y aguas abajo de los transductores para permitir que el conjunto se instale convenientemente a lo largo de una tubería. Alternativamente, los transductores pueden montarse de otra manera para medir el flujo a través de la cavidad tubular de la tubería per se. Pueden emplearse variantes de la disposición descrita en el contexto de tuberías no circulares.Body 3 defines a tubular cavity through which water flows. In this case, the tubular cavity has a diameter of OD. The body 3 may have mounting features (such as mounting flanges) within a diameter D upstream and downstream of the transducers to allow the assembly to be conveniently installed along a pipeline. Alternatively, the transducers may be mounted in another manner to measure flow through the tubular cavity of the pipeline per se. Variants of the described arrangement may be used in the context of non-circular pipes.
La disposición 5 incluye cuatro conjuntos 7, 9, 11, 13 de transductores acústicos.Arrangement 5 includes four sets 7, 9, 11, 13 of acoustic transducers.
Las formas preferidas de la disposición 5 son útiles para medir el flujo en cualquier dirección, aunque para los fines presentes se considerará un flujo en la dirección de la flecha Q en la figura 1.The preferred forms of arrangement 5 are useful for measuring flow in any direction, although for present purposes flow in the direction of arrow Q in Figure 1 will be considered.
El conjunto 7 incluye transductores 7a, 7b, 7c, 7d montados en las proximidades del interior del cuerpo 3. Uno aguas arriba 7a de esos transductores coopera con uno aguas abajo 7b (figura 4) para definir una trayectoria acústica en diagonal a través de una cuerda superior plana de la cavidad cilíndrica del cuerpo 3. El otro 7b aguas arriba de esos transductores se asienta simétricamente al transductor 7a en el otro lado de la línea central CL vertical (como se dibuja) de la disposición en el mismo plano transversal que el transductor 7a y en el mismo plano axial que el transductor 7d. El transductor 7b coopera con uno aguas abajo 7c de los transductores para definir otra trayectoria acústica. Ambas trayectorias acústicas definidas por el conjunto 7 se encuentran en un plano de medición común MP7. Los transductores 7a, 7b, 7c, 7d están así situados en las esquinas de un cuadrado ficticio a través del cual las trayectorias acústicas se extienden diagonalmente de esquina a esquina.The assembly 7 includes transducers 7a, 7b, 7c, 7d mounted in the vicinity of the interior of the body 3. An upstream one 7a of these transducers cooperates with a downstream one 7b (Figure 4) to define a diagonal acoustic path through a flat upper chord of the cylindrical cavity of the body 3. The other 7b upstream of those transducers sits symmetrically to the transducer 7a on the other side of the vertical center line CL (as drawn) of the arrangement in the same transverse plane as the transducer 7a and in the same axial plane as transducer 7d. The transducer 7b cooperates with one downstream of the transducers 7c to define another acoustic path. Both acoustic paths defined by array 7 lie on a common measurement plane MP7. The transducers 7a, 7b, 7c, 7d are thus located at the corners of a fictitious square through which the acoustic paths extend diagonally from corner to corner.
El conjunto 9 incluye transductores acústicos 9a, 9b, 9c, 9d. El transductor 9a se asienta junto al transductor 7a y el transductor 9c se asienta igualmente junto al transductor 7c. Los transductores 9b, 9d se asientan verticalmente debajo de los transductores 9a, 9c respectivamente. El transductor 9a coopera con el transductor 9d para definir una trayectoria acústica ACg,1 que atraviesa diagonalmente una cuerda vertical del interior del cuerpo 3. Los transductores 9b, 9c también cooperan para definir una segunda trayectoria acústica AC92 diagonalmente a través de la misma cuerda. Estas trayectorias son preferiblemente mutuamente perpendiculares como se sugiere en la figura 1.Assembly 9 includes acoustic transducers 9a, 9b, 9c, 9d. Transducer 9a sits adjacent to transducer 7a and transducer 9c also sits adjacent to transducer 7c. Transducers 9b, 9d sit vertically below transducers 9a, 9c respectively. The transducer 9a cooperates with the transducer 9d to define an acoustic path ACg,1 that diagonally traverses a vertical chord inside the body 3. The transducers 9b, 9c also cooperate to define a second acoustic path AC92 diagonally through the same chord. These trajectories are preferably mutually perpendicular as suggested in Figure 1.
Las trayectorias AC9,1, AC92 se encuentran en un plano de medición común MP9. Los conjuntos 11 y 13 definen igualmente los planos de medición MP11, MP13.The trajectories AC9,1, AC92 lie on a common measurement plane MP9. Sets 11 and 13 also define the measurement planes MP11, MP13.
En la sección transversal al interior del cuerpo 3 (que corresponde a la figura 2), los planos de medición se extienden cada uno a lo largo de un borde respectivo de un polígono regular teórico NRP en forma de cuadrado. Los vértices del polígono NRP están definidos por los puntos en los que se cruzan entre sí dos de los planos de medición.In the cross section inside the body 3 (corresponding to Figure 2), the measurement planes each extend along a respective edge of a theoretical regular polygon NRP in the shape of a square. The vertices of the NRP polygon are defined by the points where two of the measurement planes intersect each other.
La disposición 5 de ejemplo incluye además un conjunto 15 de transductores acústicos 15a, 15b, 15c, 15d que definen un par cruzado de trayectorias acústicas coincidentes con un eje central CA del interior tubular del cuerpo 3 para definir un plano de medición central MPC. En este ejemplo, el plano de medición central MPC es horizontal. The exemplary arrangement 5 further includes a set 15 of acoustic transducers 15a, 15b, 15c, 15d that define a crossed pair of acoustic paths coincident with a central axis CA of the tubular interior of the body 3 to define a central measurement plane MPC. In this example, the central measurement plane MPC is horizontal.
Los presentes inventores han encontrado que la construcción descrita es ventajosa tanto desde el punto de vista computacional como constructivo.The present inventors have found that the described construction is advantageous from both computational and construction points of view.
Los transductores acústicos están configurados para producir salidas a las que se puede aplicar la lógica para determinar la velocidad axial media del fluido a lo largo de cada uno de los planos de medición. Si bien la lógica aplicable puede variar de una disposición a otra y depender de la naturaleza del fluido que fluye, los experimentos de laboratorio de los inventores han demostrado que se pueden obtener mediciones de flujo sorprendentemente precisas aplicando, a la salida de los transductores, la lógica que se ha desarrollado por identificación del sistema.The acoustic transducers are configured to produce outputs to which logic can be applied to determine the average axial velocity of the fluid along each of the measurement planes. While the applicable logic may vary from one arrangement to another and depend on the nature of the flowing fluid, the inventors' laboratory experiments have shown that surprisingly accurate flow measurements can be obtained by applying, at the output of the transducers, the logic that has been developed by system identification.
Se ha descubierto que la disposición descrita de transductores acústicos tiene en cuenta las condiciones de flujo en espiral, conocidas como remolinos, mejor que las disposiciones de detección existentes. El remolino es un aspecto de la turbulencia.It has been found that the described arrangement of acoustic transducers takes into account spiral flow conditions, known as eddies, better than existing detection arrangements. Swirl is an aspect of turbulence.
La medición de flujo convencional basada en el tiempo de tránsito implica trayectorias acústicas que cortan transversalmente el eje central de la tubería y se basa en suposiciones con respecto al perfil de flujo dentro de la tubería. La disposición preferida divulgada de transductores acústicos incluye trayectorias acústicos que no cortan transversalmente el eje central para proporcionar los datos necesarios para compensar el remolino.Conventional transit time-based flow measurement involves acoustic trajectories that transect the central axis of the pipe and is based on assumptions regarding the flow profile within the pipe. The disclosed preferred arrangement of acoustic transducers includes acoustic paths that do not transect the central axis to provide the data necessary to compensate for swirl.
Las formas preferidas de la invención son particularmente ventajosas en el contexto de tuberías circulares (es decir, tuberías de sección transversal circular) donde el remolino es más problemático.Preferred forms of the invention are particularly advantageous in the context of circular pipes (i.e. pipes of circular cross section) where swirl is more problematic.
Algunas ventajas constructivas que surgen de esta disposición de transductores se ilustran mejor con respecto a la disposición de ejemplo de las figuras 5 y 6. Por conveniencia, se han transferido números de referencia para componentes análogos a los de las figuras 1 a 4.Some constructional advantages arising from this arrangement of transducers are best illustrated with respect to the example arrangement of Figures 5 and 6. For convenience, reference numbers have been transferred for components analogous to those of Figures 1 to 4.
Cada par adyacente de transductores puede montarse dentro de una sola unidad transductora, por ejemplo, una unidad transductora 17' puede llevar los transductores 7c, 9c. Como tal, se pueden montar ocho unidades transductoras mutuamente idénticas para colocar los dieciséis transductores de los conjuntos 7, 9, 11 y 13, por ejemplo, la unidad 17 ilustrada es idéntica a la unidad 17'.Each adjacent pair of transducers may be mounted within a single transducer unit, for example, one transducer unit 17' may carry the transducers 7c, 9c. As such, eight mutually identical transducer units can be mounted to accommodate the sixteen transducers of sets 7, 9, 11 and 13, for example, unit 17 illustrated is identical to unit 17'.
La unidad transductora 17 también incluye una disposición de montaje en forma de placa de montaje 19 mediante la cual la unidad 17 se puede montar como una unidad y en asociación con el interior tubular del cuerpo 3. La placa de montaje 19 está curvada para complementar el exterior del cuerpo 3 y tiene una disposición de orificios pasantes 21 a través de los cuales se pueden pasar sujetadores adecuados para acoplarse a los orificios complementarios 23 formados en la pared del cuerpo 3, mientras que una porción 25 de transporte del transductor de la unidad sobresale a través de una abertura complementaria 27 a través de la pared del cuerpo 3. La porción de transporte de transductores 25 contiene un par de transductores, por ejemplo, los transductores 7c, 9c dirigidos en los ángulos requeridos para la operación. Una junta 29 rodea la abertura 27 y se comprime para sellar contra la fuga a través de la abertura 27.The transducer unit 17 also includes a mounting arrangement in the form of a mounting plate 19 whereby the unit 17 can be mounted as a unit and in association with the tubular interior of the body 3. The mounting plate 19 is curved to complement the exterior of the body 3 and has an arrangement of through holes 21 through which suitable fasteners can be passed to engage the complementary holes 23 formed in the wall of the body 3, while a transducer carrying portion 25 of the unit protrudes through a complementary opening 27 through the body wall 3. The transducer carrying portion 25 contains a pair of transducers, for example, transducers 7c, 9c directed at the angles required for operation. A gasket 29 surrounds the opening 27 and is compressed to seal against leakage through the opening 27.
Con ajustes adecuados en la disposición de montaje, la misma unidad transductora 17 se puede usar en tuberías de diferente diámetro.With proper adjustments to the mounting arrangement, the same transducer unit 17 can be used on pipes of different diameters.
La figura 7 ilustra otro ejemplo del conjunto 1 en el que los transductores acústicos mutuamente adyacentes están separados entre sí por aletas de separación de flujo. En este ejemplo, las aletas de separación del flujo se extienden paralelas al interior tubular de la carcasa 3, por ejemplo, la aleta 30 separa mutuamente los transductores 7a, 9a mientras que la aleta 31 separa mutuamente los transductores 9b, 11b. Las aletas enderezan el flujo y limitan los efectos de remolino y flujo cruzado. Aletas 30a y 31a similares están ubicadas frente a las aletas 30 y 31. Las aletas 30, 31, 30a y 31a pueden tener cualquier forma adecuada y normalmente se extienden más allá de la altura de los transductores para enderezar mejor el flujo de agua.Figure 7 illustrates another example of assembly 1 in which mutually adjacent acoustic transducers are separated from each other by flow separation fins. In this example, the flow separation fins extend parallel to the tubular interior of the housing 3, for example, fin 30 mutually separates the transducers 7a, 9a while fin 31 mutually separates the transducers 9b, 11b. The fins straighten the flow and limit the effects of eddy and crossflow. Similar fins 30a and 31a are located in front of fins 30 and 31. Fins 30, 31, 30a and 31a may have any suitable shape and typically extend beyond the height of the transducers to better straighten the water flow.
Son posibles otras formas de estructura separadora de flujo. En el ejemplo de las figuras 8 y 9, los transductores 7a, 9a están separados por una estructura separadora de flujo en forma de un saliente longitudinal 33 que define una cara de montaje 35 sustancialmente perpendicular al borde superior del polígono rectangular teórico NRP y en el que se puede montar el transductor 7a. El saliente 33 define igualmente una cara de montaje 37 del transductor 9a y sensiblemente perpendicular al borde lateral del polígono NRP. Esta construcción permite emplear un transductor común y una disposición de montaje del transductor en los dieciséis puntos de los conjuntos. Se podría lograr un efecto similar si cada cara de montaje del transductor tuviera alguna otra orientación común (es decir, no perpendicular) como se muestra en la figura 10 en relación con la porción correspondiente del polígono rectangular teórico. En la figura 10, los salientes longitudinales 41 tienen caras de montaje en ángulo 43, 45 en oposición a las caras de montaje perpendiculares 35, 37 de la figura 9.Other forms of flow separator structure are possible. In the example of Figures 8 and 9, the transducers 7a, 9a are separated by a flow separator structure in the form of a longitudinal projection 33 that defines a mounting face 35 substantially perpendicular to the upper edge of the theoretical rectangular polygon NRP and in the that the transducer 7a can be mounted. The projection 33 also defines a mounting face 37 of the transducer 9a and substantially perpendicular to the lateral edge of the NRP polygon. This construction allows a common transducer and transducer mounting arrangement to be used at all sixteen points in the arrays. A similar effect could be achieved if each transducer mounting face had some other common orientation (i.e., non-perpendicular) as shown in Figure 10 relative to the corresponding portion of the theoretical rectangular polygon. In Figure 10, the longitudinal projections 41 have angled mounting faces 43, 45 opposite the perpendicular mounting faces 35, 37 of Figure 9.
En los ejemplos de las figuras 1 a 7, cada uno de los trayectorias acústicos abarca una distancia respectiva en el sentido de la corriente y, como tal, cada par de transductores acústicos enfrentados entre sí incluye un transductor aguas arriba y un transductor aguas abajo, por ejemplo, el par 9b, 9c incluye el transductor aguas arriba 9b del transductor aguas abajo 9c.In the examples of Figures 1 to 7, each of the acoustic paths spans a respective distance in the direction of the stream and, as such, each pair of acoustic transducers facing each other includes an upstream transducer and a downstream transducer, for example, the pair 9b, 9c includes the upstream transducer 9b of the downstream transducer 9c.
En los ejemplos ilustrados hasta ahora, los transductores aguas arriba se encuentran en un plano común transversal al interior del cuerpo 3 mientras que los transductores aguas abajo se encuentran en otro plano transversal común. Esta coincidencia no es esencial. Como se ilustra en las figuras 8 a 9, los transductores adyacentes entre sí, tal como los transductores 7a, 9a, pueden estar desplazados axialmente entre sí. Preferiblemente, las trayectorias acústicas se cruzan con al menos un plano común transversal a la cavidad tubular del cuerpo 3, es decir, preferiblemente, la dimensión L de la figura 8 es al menos cero.In the examples illustrated so far, the upstream transducers are in a common transverse plane inside the body 3 while the downstream transducers are located in another common transverse plane. This coincidence is not essential. As illustrated in Figures 8 to 9, transducers adjacent to each other, such as transducers 7a, 9a, may be axially offset from each other. Preferably, the acoustic paths intersect at least one common plane transverse to the tubular cavity of the body 3, that is, preferably, the dimension L of Figure 8 is at least zero.
Las figuras 12 y 13 ilustran un conjunto, para un medidor de flujo, similar al conjunto de la figura 1. Con respecto a la variante de la figura 1, los sensores acústicos adicionales 15a, 15b, 15c, 15d se han movido axialmente hacia adentro hacia el centro de la disposición para que se encuentren en los planos aguas arriba y aguas abajo UP, DP en los que los transductores acústicos de la conjuntos también residen. Este movimiento reduce la longitud total de la disposición de detección de flujo. Este movimiento da como resultado los trayectorias acústicos AC-i5,1, AC-i5,2 cruzando en un ángulo diferente al convencionalmente preferido de 90°. No obstante, junto con la salida de los transductores acústicos de los equipos, se pueden obtener mediciones de flujo precisas.Figures 12 and 13 illustrate an assembly, for a flow meter, similar to the assembly of Figure 1. With respect to the variant of Figure 1, the additional acoustic sensors 15a, 15b, 15c, 15d have been moved axially inwards towards the center of the array so that they lie in the upstream and downstream planes UP, DP in which the acoustic transducers of the array also reside. This movement reduces the overall length of the flow detection arrangement. This movement results in the acoustic paths AC-i5,1, AC-i5,2 crossing at an angle other than the conventionally preferred 90°. However, together with the output of the equipment's acoustic transducers, accurate flow measurements can be obtained.
La disposición de la figura 12 incluye además un sensor de nivel de agua 39 para detectar el nivel de agua WL en la tubería. En este ejemplo, el sensor 39 es un sensor acústico montado en la parte superior que envía señales y recibe señales reflejadas de una trayectoria acústica vertical AC39. Son posibles otras disposiciones de detección del nivel del agua, por ejemplo, se puede proporcionar un sensor montado en el suelo. El nivel del agua puede expresarse en términos de altura por encima del fondo de la tubería, o en términos de altura por debajo del exterior de la tubería, o, en otros términos.The arrangement of Figure 12 further includes a water level sensor 39 for detecting the water level WL in the pipe. In this example, sensor 39 is a top-mounted acoustic sensor that sends signals and receives reflected signals from a vertical acoustic path AC39. Other water level sensing arrangements are possible, for example a ground mounted sensor may be provided. The water level may be expressed in terms of height above the bottom of the pipe, or in terms of height below the outside of the pipe, or in other terms.
Las formas preferidas de medidor de flujo procesan los datos de los transductores acústicos y también del sensor 39 para permitir la medición del flujo en las tuberías cuando están llenas y también cuando solo están parcialmente llenas. Preferred forms of flow meter process data from the acoustic transducers and also from the sensor 39 to allow measurement of flow in the pipes when they are full and also when they are only partially full.
Los ejemplos que se muestran en las figuras 1 a 10 y 12 a 13 se refieren a la medición de flujo en línea a través de un cuerpo o tubería 3. Las realizaciones también pueden incluir la unión de un dispositivo o compuerta de control de flujo para permitir el paso del agua a su través. Dichos dispositivos pueden instalarse en cualquier lugar a lo largo de la tubería 3, o al final de la misma, según los requisitos. Las figuras 11 y 14 muestran el uso de dispositivos de control de flujo típicos usados en el campo, pero no se limitan a tales dispositivos como entenderá el experto en la materia. The examples shown in Figures 1 to 10 and 12 to 13 relate to the measurement of in-line flow through a body or pipe 3. Embodiments may also include the attachment of a flow control device or gate to allow water to pass through. Such devices can be installed anywhere along the pipe 3, or at the end of it, depending on the requirements. Figures 11 and 14 show the use of typical flow control devices used in the field, but are not limited to such devices as will be understood by those skilled in the art.
La figura 11 tiene una compuerta plegable 51 fijada al extremo del tubo 3. Tal compuerta se describe completamente en las realizaciones discutidas en la patente australiana n.° 2012234917. Un par de placas semicirculares sellables con bisagras 53 (solo una de las cuales es visible en la figura 11) se pueden levantar y bajar mediante puntales pivotantes 55 articulados a un elemento roscado giratorio 57 contenido en un dispositivo de activación 59. Un motor 61 hará girar el elemento roscado 57 bajo el control del programa. El motor 61 también se puede reemplazar por una manivela, si es necesario.Figure 11 has a folding gate 51 fixed to the end of the tube 3. Such a gate is fully described in the embodiments discussed in Australian Patent No. 2012234917. A pair of hinged sealable semicircular plates 53 (only one of which is visible in Figure 11) can be raised and lowered by pivoting struts 55 articulated to a rotating threaded element 57 contained in an activation device 59. A motor 61 will rotate the threaded element 57 under the control of the program. The 61 motor can also be replaced with a crank, if necessary.
La figura 14 tiene una válvula de guillotina 63 fijada al extremo de la tubería 3. Tal válvula se describe completamente en las realizaciones discutidas en las solicitudes de patente internacional WO 2011/020143 y WO 2016/004471. Una hoja de puerta 65 que se desliza herméticamente dentro de un marco 67 se puede levantar y bajar mediante el mecanismo de elevación 69 conectado al marco 67. Un motor 71 operará bajo el control del programa para levantar y bajar la hoja de la puerta 65. El motor 71 también se puede reemplazar por una manivela, si es necesario.Figure 14 has a knife gate valve 63 fixed to the end of the pipe 3. Such a valve is fully described in the embodiments discussed in international patent applications WO 2011/020143 and WO 2016/004471. A door leaf 65 that slides tightly within a frame 67 can be raised and lowered by the lifting mechanism 69 connected to the frame 67. A motor 71 will operate under program control to raise and lower the door leaf 65. The 71 motor can also be replaced with a crank, if necessary.
El experto apreciará que las presentes enseñanzas pueden extenderse mucho más allá de los ejemplos descritos. La invención no se limita a los ejemplos descritos; más bien está definido por las reivindicaciones. A modo de ejemplo, algunas variantes pueden prescindir del conjunto 15, y mientras que en este ejemplo los planos de medida de los conjuntos son paralelos al interior del cuerpo tubular, en otras variantes puede no ser así.The skilled person will appreciate that the present teachings can be extended well beyond the examples described. The invention is not limited to the examples described; rather it is defined by the claims. As an example, some variants may dispense with assembly 15, and while in this example the measurement planes of the assemblies are parallel to the interior of the tubular body, in other variants this may not be the case.
En este ejemplo, hay diez pares de transductores acústicos enfrentados entre sí que corresponden a diez trayectorias acústicas. Se ha descubierto que esta disposición conduce a mediciones de flujo menos afectadas por los efectos de flujo cruzado y otros aspectos de la turbulencia que otras disposiciones de medición de flujo. Por supuesto, los principios divulgados pueden extenderse más allá de un cuadrado teórico a otros polígonos regulares, por ejemplo, a polígonos regulares teóricos en forma de pentágonos o pentagramas, en cuyo caso se podrían obtener beneficios computacionales y de construcción similares. In this example, there are ten pairs of acoustic transducers facing each other corresponding to ten acoustic paths. This arrangement has been found to lead to flow measurements less affected by crossflow effects and other aspects of turbulence than other flow measurement arrangements. Of course, the principles disclosed can be extended beyond a theoretical square to other regular polygons, for example to theoretical regular polygons in the form of pentagons or pentagrams, in which case similar computational and construction benefits could be obtained.
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